Введение

Электрический локомотив – это локомотив, работающий на электричестве, получаемом от контактной сети, третьего рельса или бортовых накопителей энергии, таких как аккумуляторные батареи или суперконденсаторы. Локомотивы, оснащенные бортовыми двигателями внутреннего сгорания, такими как дизельные двигатели или газовые турбины, классифицируются как дизель-электрические или газотурбинные-электрические, а не как электрические локомотивы, поскольку в них электрогенераторно-моторная комбинация служит лишь системой передачи мощности. Электрические локомотивы выигрывают от высокой эффективности электродвигателей, часто превышающей 90% (без учета потерь при производстве электроэнергии). Дополнительную эффективность обеспечивает рекуперативное торможение, позволяющее возвращать кинетическую энергию в сеть при торможении. Современные электрические локомотивы используют системы управления с инверторным приводом асинхронного двигателя, обеспечивающие рекуперативное торможение. Электрические локомотивы тише дизельных, поскольку в них отсутствует шум двигателя, выхлопных газов и меньше механических шумов. Отсутствие возвратно-поступательных деталей снижает нагрузку на пути и уменьшает потребность в их обслуживании. Мощность электростанций значительно превышает потребность одного локомотива, поэтому электрические локомотивы могут развивать более высокую мощность, чем дизельные, и обеспечивать кратковременное повышение мощности для быстрого ускорения. Электрические локомотивы идеально подходят для пригородного сообщения с частыми остановками. Они также используются на грузовых маршрутах с интенсивным движением или в регионах с развитой железнодорожной инфраструктурой. Электростанции, даже работающие на ископаемом топливе, значительно чище, чем мобильные источники энергии, такие как локомотивные двигатели. Электроэнергия может поступать из источников с низким уровнем выбросов углерода или возобновляемых источников, включая геотермальную энергию, гидроэнергию, биомассу, солнечную энергию, атомную энергию и ветряные турбины. Обычно электрические локомотивы стоят на 20% дешевле дизельных, их затраты на обслуживание на 25–35% ниже, а эксплуатационные расходы – до 50% ниже. Главный недостаток электрификации – высокая стоимость инфраструктуры: контактная сеть или третий рельс, тяговые подстанции и системы управления. Государственная политика в США препятствует электрификации: владельцы частных железнодорожных объектов, электрифицированных линий, облагаются более высокими налогами на имущество. Агентство по охране окружающей среды (EPA) регулирует выбросы от локомотивных и судовых двигателей, аналогично требованиям к выбросам автомобилей и грузовиков, чтобы ограничить выбросы угарного газа, несгоревших углеводородов, оксидов азота и сажи от этих мобильных источников энергии. Поскольку железнодорожная инфраструктура в США находится в частной собственности, железнодорожные компании не готовы инвестировать в электрификацию. В Европе и других странах железнодорожные сети рассматриваются как часть национальной транспортной инфраструктуры, наряду с дорогами, автомагистралями и водными путями, и часто финансируются государством. Операторы подвижного состава платят сборы за использование железнодорожных путей. Это позволяет осуществлять крупные инвестиции, необходимые для технически и в долгосрочной перспективе экономически выгодной электрификации.

Прямое течение

Первый известный электрический локомотив был построен в 1837 году химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина и приводился в действие гальваническими элементами (батареями). Позже Дэвидсон построил более крупный локомотив под названием «Гальвани», который был представлен на выставке Королевского шотландского общества искусств в 1841 году. Семитонное транспортное средство имело два двигателя прямого привода с нежелательным приводом, с фиксированными электромагнитами, воздействующими на железные стержни, прикрепленные к деревянному цилиндру на каждой оси, и простыми коллекторами. Он буксировал груз в шесть тонн со скоростью четыре мили в час (6 километров в час) на расстояние в 400 км. Он был испытан на железной дороге Эдинбурга и Глазго в сентябре следующего года, но ограниченная мощность батарей препятствовала его широкому использованию. Он был уничтожен железнодорожными рабочими, которые видели в нем угрозу своей работе. Первый электрический пассажирский поезд был представлен Вернером фон Сименсом в Берлине в 1879 году. Локомотив приводился в движение двигателем постоянного тока мощностью 2,2 кВт, а поезд, состоящий из локомотива и трех вагонов, достигал скорости 13 км/ч. В течение четырех месяцев поезд перевозил 90 000 пассажиров по круговой трассе длиной 300 метров. Электричество (150 В постоянного тока) подавалось через третий изолированный рельс между рельсами. Для сбора электричества использовался контактный ролик. Первая в мире электрическая трамвайная линия была открыта в Лихтерфельде, недалеко от Берлина, в Германии, в 1881 году. Она была построена Вернером фон Сименсом (см. Гросс-Лихтерфельдский трамвай и Берлинская уличная железная дорога). Электрическая железная дорога Волка открылась в 1883 году в Брайтоне. Также в 1883 году недалеко от Вены в Австрии открылись трамваи Мёдлинг и Хинтербрюль. Это был первый в мире регулярный маршрут, работающий от воздушной линии. Через пять лет, в 1888 году, в США электрические вагоны были впервые применены на пассажирской железной дороге Richmond Union, с использованием оборудования, разработанного Фрэнком Дж. Спрагом. Первые электрифицированные железнодорожные линии в Венгрии были открыты в 1887 году. Будапешт (см.: BHÉV): линия Рачкеве (1887), линия Сентендре (1888), линия Гёдёллё (1888), линия Чепель (1912). Значительная часть раннего развития электрической тяги была обусловлена растущим использованием туннелей, особенно в городских районах. Дым от паровозов был вредным, и муниципалитеты все чаще склонялись к запрету их использования в пределах своих границ. Первой электрифицированной подземной линией была железная дорога City and South London Railway, которая была введена в эксплуатацию в соответствии с пунктом, запрещающим использование паровой энергии. Она была открыта в 1890 году и использовала электрические локомотивы, построенные Mather and Platt. Электричество быстро стало предпочтительным источником питания для метро, чему способствовало изобретение Спрагом в 1897 году системы управления многоблочным составом. Наземные и надземные системы скоростного транспорта обычно использовали пар, пока не были вынуждены перейти на электричество в соответствии с постановлением. Первое использование электрификации на американской магистрали было на четырехмильном участке Балтиморской линии Балтимора и Огайо в 1895 году, соединяющем основную часть Балтимора и Огайо с новой линией в Нью-Йорк через серию туннелей по краям центра Балтимора. Параллельные пути на Пенсильванской железной дороге показали, что угольный дым от паровозов будет серьезной эксплуатационной проблемой и общественным неудобством. Первоначально использовались три блока Bo+Bo, модель EL 1. В южной части электрифицированного участка они соединялись с локомотивом и поездом и тянули его через туннели. Железнодорожные подъезды к Нью-Йорку требовали аналогичных туннелей, и проблемы с дымом там были более острыми. Столкновение в тоннеле Парк-авеню в 1902 году привело к тому, что законодательный орган штата Нью-Йорк запретил использование локомотивов, выделяющих дым, к югу от реки Гарлем после 1 июля 1908 года. В ответ в 1904 году на Нью-Йоркской центральной железной дороге начали эксплуатироваться электрические локомотивы. В 1930-х годах Пенсильванская железная дорога, которая внедрила электрические локомотивы из-за правил Нью-Йорка, электрифицировала всю свою территорию к востоку от Харрисберга, штат Пенсильвания. Железная дорога Чикаго, Милуоки, Сент-Пол и Тихоокеанская (Милуоки Роуд), последняя трансконтинентальная линия, которая была построена, электрифицировала свои линии через Скалистые горы и к Тихому океану, начиная с 1915 года. Несколько восточных линий, в частности Вирджинская железная дорога и Норфолк и Западная железная дорога, электрифицировали короткие участки своих горных переходов. Однако к этому времени электрификация в Соединенных Штатах была больше связана с интенсивным городским движением, и использование электрических локомотивов сократилось на фоне дизелизации. Дизель разделял некоторые преимущества электрического локомотива перед паром, а стоимость строительства и обслуживания инфраструктуры электроснабжения, которая препятствовала новым установкам, привела к прекращению работы большинства магистральных электрификаций за пределами Северо-Востока. За исключением нескольких замкнутых систем (например, Deseret Power Railroad), к 2000 году электрификация была ограничена Северо-Восточным коридором и некоторыми пригородными перевозками; даже там грузовые перевозки осуществлялись дизельными локомотивами. Развитие продолжалось в Европе, где электрификация была широко распространена. 1500 В постоянного тока все еще используется на некоторых линиях во Франции, а 25 кВ 50 Гц используется высокоскоростными поездами. В 1918 году Кандо изобрел и разработал роторный фазовый преобразователь, позволяющий электрическим локомотивам использовать трехфазные двигатели при питании от одной воздушной линии, несущей простую промышленную частоту (50 Гц) однофазного переменного тока высоковольтных национальных сетей. Итальянские железные дороги первыми в мире внедрили электрическую тягу на протяжении всей длины магистрали, а не только на коротком участке. 106-километровая линия Вальтеллина была открыта 4 сентября 1902 года и спроектирована Кандо и командой из Ganz Works. Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». Кандо был приглашен в 1905 году возглавить управление Società Italiana Westinghouse и руководил разработкой нескольких итальянских электрических локомотивов. Более поздней разработкой Кандо, совместно с Ganz Works и Societa Italiana Westinghouse, стал электромеханический преобразователь, позволяющий использовать трехфазные двигатели от однофазного переменного тока, устраняя необходимость в двух воздушных проводах. В 1923 году на основе проектов Кандо был построен первый фазовый преобразовательный локомотив в Венгрии, и вскоре после этого началось серийное производство. Первая установка, на 16 кВ 50 Гц, была осуществлена в 1932 году на 56-километровом участке венгерской государственной железной дороги между Будапештом и Комаромом. Это оказалось успешным, и электрификация была расширена до Хедьешалома в 1934 году. В Европе проекты электрификации первоначально были сосредоточены на горных районах по нескольким причинам: поставки угля были затруднены, гидроэнергия была легкодоступна, а электрические локомотивы обеспечивали большее сцепление на крутых склонах. Это особенно применимо к Швейцарии, где почти все линии электрифицированы. Важным вкладом в более широкое внедрение переменного тока стала SNCF из Франции после Второй мировой войны. Компания оценила линию переменного тока промышленной частоты, проходящую через крутую долину Хёлленталь в Германии, которая находилась под французской администрацией после войны. После испытаний компания пришла к выводу, что производительность локомотивов переменного тока достаточно развита, чтобы все ее будущие установки, независимо от местности, соответствовали этому стандарту, с его более дешевой и эффективной инфраструктурой. Решение SNCF, игнорировавшее 2000 миль (3219 км) высоковольтного постоянного тока, уже установленных на французских маршрутах, оказало влияние на стандарт, выбранный для других стран Европы. 1960-е годы ознаменовались электрификацией многих европейских магистральных линий. Технологии европейских электрических локомотивов неуклонно совершенствовались с 1920-х годов. Для сравнения, класс EP 2 Milwaukee Road (1918) весил 240 тонн, имел мощность 3330 кВт и максимальную скорость 112 км/ч; в 1935 году немецкий E 18 имел мощность 2800 кВт, но весил всего 108 тонн и имел максимальную скорость 150 км/ч. 29 марта 1955 года французский локомотив CC 7107 достиг скорости 331 км/ч. В 1...

Прямой и переменный ток

Самое фундаментальное различие заключается в выборе переменного или постоянного тока. Самые ранние системы использовали постоянный ток, поскольку переменный ток был недостаточно изучен, а изоляционные материалы для высоковольтных линий были недоступны. Локомотивы постоянного тока обычно работают при относительно низком напряжении (от 600 до 3000 вольт); соответственно, оборудование у них относительно массивное, так как для передачи достаточной мощности требуются большие токи. Электроэнергию необходимо подавать через короткие промежутки времени, поскольку высокие токи приводят к значительным потерям в системе передачи. С развитием двигателей переменного тока они стали преобладающим типом, особенно на протяженных маршрутах. Используются высокие напряжения (десятки тысяч вольт), что позволяет использовать низкие токи; потери при передаче пропорциональны квадрату тока (например, удвоение тока приводит к учетверению потерь). Таким образом, большую мощность можно передавать на большие расстояния по более легким и дешевым проводам. Трансформаторы в локомотивах преобразуют эту мощность в низкое напряжение и высокий ток для двигателей. Аналогичная система высокого напряжения и низкого тока не может быть использована с локомотивами постоянного тока, поскольку не существует простого способа преобразования напряжения/тока для постоянного тока с такой же эффективностью, как это достигается с помощью трансформаторов переменного тока. В системах переменного тока иногда используются двойные контактные провода вместо однофазных линий. Образующийся трехфазный ток приводит в движение индукционные двигатели, которые не имеют чувствительных коллекторов и обеспечивают простую реализацию регенеративного тормоза. Скорость регулируется изменением числа пар полюсов в обмотке статора, а ускорение – включением или выключением дополнительных резисторов в цепь ротора. Две фазные линии тяжелые и сложные вблизи стрелочных переводов, где фазы должны пересекаться. Эта система широко использовалась в Северной Италии до 1976 года и до сих пор применяется на некоторых швейцарских зубчатых железных дорогах. Простота реализации отказоустойчивого электрического тормоза является преимуществом системы, в то время как управление скоростью и двухфазные линии представляют собой проблему. Локомотивы с выпрямителями, использующие передачу электроэнергии переменного тока и двигатели постоянного тока, были распространены, хотя коллекторы постоянного тока имели проблемы как при старте, так и на низких скоростях. Современные передовые электровозы используют трехфазные асинхронные двигатели переменного тока без щеток. Эти многофазные машины питаются от инверторов на основе GTO, IGCT или IGBT. Стоимость электронных устройств в современном локомотиве может достигать 50% от его стоимости. Электрическая тяга позволяет использовать регенеративное торможение, при котором двигатели используются в качестве тормозов и становятся генераторами, преобразующими движение поезда в электрическую энергию, которая затем возвращается в контактную сеть. Эта система особенно эффективна в гористой местности, поскольку локомотивы, движущиеся вниз, могут вырабатывать значительную часть мощности, необходимой для локомотивов, движущихся вверх. Большинство систем имеют характерное напряжение и, в случае переменного тока, частоту системы. Многие локомотивы были оснащены для работы с несколькими напряжениями и частотами, поскольку системы пересекались или модернизировались. Американские локомотивы FL9 были способны работать от двух различных электрических систем и могли также эксплуатироваться как дизель-электрические. Хотя современные системы в основном работают на переменном токе, многие системы постоянного тока все еще используются, например, в Южной Африке и Великобритании (750 В и 1500 В); Нидерландах, Японии, Ирландии (1500 В); Словении, Бельгии, Италии, Польше, России, Испании (3000 В) и Вашингтоне, округ Колумбия (750 В).

Передача мощности

Электрические схемы требуют двух соединений (или для трехфазного переменного тока – трех соединений). Изначально рельсы использовались для одной стороны цепи. В отличие от модельных железных дорог, рельсы обычно обеспечивают только одну сторону, а другая сторона цепи подается отдельно.

Третья рельса

Первоначальная электрификация Балтиморской и Огайоской железной дороги использовала скользящий токосъёмник (контактный башмак или просто "башмак") в надголовном канале, система, которая быстро оказалась неудовлетворительной. Она была заменена третьим рельсом, по которому токосъёмник скользит снизу или сверху меньшего рельса, параллельного основному пути, над уровнем земли. На обеих сторонах локомотива установлено несколько токосъёмников для компенсации разрывов в третьем рельсе, необходимых для стрелочных переводов. Эта система предпочтительна в метро из-за небольших габаритов, которые она позволяет обеспечить.

Руководить колесами

Во время первоначальной разработки электрической тяги для железных дорог было разработано несколько приводных систем для соединения выходной мощности тяговых двигателей с колёсами. Ранние локомотивы часто использовали приводные валы (jackshaft drives). В такой конструкции тяговый двигатель монтируется внутри корпуса локомотива и приводит в движение вал сцепления через набор зубчатых передач. Эта система применялась, поскольку первые тяговые двигатели были слишком большими и тяжёлыми для непосредственного монтажа на оси. Из-за большого количества механических деталей требовалось частое техническое обслуживание. Привод с валом сцепления был оставлен лишь для самых маломощных установок, когда были разработаны более компактные и лёгкие двигатели.

По мере совершенствования электрического локомотива были разработаны и другие системы. Привод Бухли представлял собой полностью пружинную систему, в которой вес тяговых двигателей был полностью отделён от ведущих колёс. Впервые применённый в электрических локомотивах в 1920-х годах, привод Бухли в основном использовался французской SNCF и Швейцарскими федеральными железными дорогами. Примерно в то же время был разработан и перовой привод (quill drive), который устанавливал тяговый двигатель над или сбоку от оси и соединял его с осью через редуктор и полый вал – перо – гибко соединённый с ведущей осью. Локомотив GG1 Пенсильванской железной дороги использовал перовой привод. По мере того как тяговые двигатели продолжали уменьшаться в размерах и весе, перовые приводы постепенно утратили популярность на малоскоростных грузовых локомотивах. Однако на высокоскоростных пассажирских локомотивах, используемых в Европе, перовой привод по-прежнему является преобладающим. Другой системой была "биполярная" система, в которой якорь двигателя являлся самой осью, а рама и обмотки двигателя крепились к тележке (bogie) в фиксированном положении. Двигатель имел два полюса возбуждения, что допускало ограниченное вертикальное перемещение якоря. Эта система имела ограниченную ценность, поскольку выходная мощность каждого двигателя была ограничена. Биполярные электропоезда EP 2, использовавшиеся на железной дороге Милуоки, компенсировали эту проблему, используя большое количество ведущих осей.

Современные грузовые электрические локомотивы, как и их дизель-электрические аналоги, почти повсеместно используют тяговые двигатели, установленные на осях (axle-hung traction motors), с одним двигателем для каждой ведущей оси. В такой конструкции одна сторона корпуса двигателя опирается на простые подшипники скольжения, установленные на шлифованном и полированном шейке, являющемся частью оси. Другая сторона корпуса имеет языкообразный выступ, который входит в соответствующий паз в кронштейне тележки (bogie), выполняя функцию устройства, воспринимающего реактивный момент, а также обеспечивая поддержку. Передача мощности от двигателя к оси осуществляется посредством зубчатой передачи, в которой шестерня на валу двигателя зацепляется с большим зубчатым колесом на оси. Обе передачи заключены в герметичный корпус, заполненный смазочным маслом. Тип эксплуатации локомотива определяет используемое передаточное число. Высокие передаточные числа обычно используются на грузовых локомотивах, в то время как низкие передаточные числа характерны для пассажирских локомотивов.

Устройство колес

Система классификации Уайта для паровозов не подходит для описания разнообразия компоновок электрических локомотивов, хотя Пенсильванская железная дорога присваивала своим электровозам классы, как если бы они были паровыми. Например, класс PRR GG1 указывает, что он сконструирован как два локомотива класса 4-6-0 G, соединенных головными частями друг к другу. Для электрических локомотивов обычно использовалась система классификации UIC, поскольку она позволяла учитывать сложные схемы расположения ведущих и неведущих осей, а также различать системы привода сцепленные и несцепленные.

Локомотив на батареях

Аккумуляторный электролокомотив (или аккумуляторный локомотив) питается от бортовых аккумуляторов; это разновидность аккумуляторного электрического транспортного средства. Такие локомотивы используются там, где дизельный или обычный электрический локомотив был бы неподходящим. Примером может служить обслуживание поездов на электрифицированных линиях при отключении электроснабжения. Другое применение аккумуляторных локомотивов – это промышленные предприятия (например, заводы по производству взрывчатых веществ, нефтеперерабатывающие заводы или химические комбинаты), где локомотив с двигателем внутреннего сгорания (то есть паровой или дизельный) может создать угрозу безопасности из-за риска пожара, взрыва или выделения вредных газов в замкнутом пространстве. Аккумуляторные локомотивы предпочтительны для шахтных железных дорог, где газ может воспламениться от искрения токосъемников троллейной сети, или где в цепях питания и обратной связи может возникнуть электрическое сопротивление, особенно на стыках рельсов, что может привести к опасной утечке тока в землю. Первый электрический локомотив, построенный в 1837 году, был аккумуляторным. Его создал химик Роберт Дэвидсон из Абердина (Шотландия), и он работал на гальванических элементах (аккумуляторах). Другой ранний пример – медные рудники Кеннекотта в Маккарти (Аляска), где в 1917 году были расширены подземные пути для обеспечения работы двух аккумуляторных локомотивов. В 1928 году компания Kennecott Copper заказала четыре электрических локомотива серии 700 с бортовыми аккумуляторами. Эти локомотивы работали от воздушной троллейной сети напряжением 750 вольт и имели значительный запас хода при работе от аккумуляторов. Локомотивы прослужили несколько десятилетий, используя технологию никель-железных аккумуляторов (Эдисона). Аккумуляторы были заменены на свинцово-кислотные, и вскоре после этого локомотивы были выведены из эксплуатации. Все четыре локомотива были переданы в музеи, но один был разобран на металлолом. Другие можно увидеть на Boone and Scenic Valley Railroad в Айове и в Western Railway Museum в Рио-Виста (Калифорния). Транзитное управление Торонто ранее эксплуатировало на метро Торонто аккумуляторный электролокомотив, построенный компанией Nippon Sharyo в 1968 году и списанный в 2009 году. Лондонское метро регулярно использует аккумуляторные электролокомотивы для общего обслуживания. В настоящее время железнодорожные компании заказали и разрабатывают аккумуляторные локомотивы с энергоемкостью 7 и 14 МВт⋅ч.

Сверхконденсаторная система хранения энергии

В 2020 году компания Zhuzhou Electric Locomotive Company, производитель систем накопления электрической энергии на основе суперконденсаторов, изначально разработанных для трамваев, объявила о расширении своей продуктовой линейки и включении в нее локомотивов.

Европа

Электрификация широко распространена в Европе, и электропоезда (электрические многоцелевые агрегаты) обычно используются для пассажирских перевозок. Из-за более высокой плотности движения эксплуатационные расходы играют более важную роль по сравнению с затратами на инфраструктуру, чем в США, а эксплуатационные расходы электрических локомотивов значительно ниже, чем у дизельных. Кроме того, правительства были мотивированы электрифицировать свои железнодорожные сети из-за нехватки угля во время Первой и Второй мировых войн. Дизельные локомотивы имеют меньшую мощность при том же весе и габаритах, чем электрические. Например, мощность в 2200 кВт современного дизельного локомотива British Rail Class 66 была эквивалентна мощности электрического локомотива SBB CFF FFS Ae 4/7 (2300 кВт) 1927 года выпуска, при этом последний легче. Однако на низких скоростях тяговое усилие важнее мощности. Дизельные локомотивы могут быть конкурентоспособными для медленных грузовых перевозок (что характерно для Канады и США), но не для пассажирских или смешанных грузопассажирских перевозок, как на многих европейских железнодорожных линиях, особенно там, где тяжелые грузовые поезда должны двигаться на сравнительно высоких скоростях (80 км/ч и выше). Эти факторы привели к высокой степени электрификации в большинстве европейских стран. В некоторых странах, таких как Швейцария, даже электрические маневровые локомотивы распространены, и многие подъездные пути обслуживаются электрическими локомотивами. Во время Второй мировой войны, когда не хватало материалов для строительства новых электрических локомотивов, Швейцарские федеральные железные дороги установили электрические нагревательные элементы в котлы некоторых паровых маневровых локомотивов, питаемые от контактной сети, чтобы справиться с нехваткой импортного угля. Недавние политические решения во многих европейских странах, направленные на развитие общественного транспорта, дали новый импульс электрической тяге. Кроме того, участки неэлектрифицированного пути ликвидируются, чтобы избежать замены электрических локомотивов дизельными на этих участках. Необходимая модернизация и электрификация этих линий возможна благодаря государственному финансированию железнодорожной инфраструктуры. Первые британские электропоезда появились в 1890-х годах, а современные версии используются для общественного транспорта, также существует ряд классов электрических локомотивов, таких как: Class 76, Class 86, Class 87, Class 90, Class 91 и Class 92.

Россия и бывший СССР

Россия и другие страны бывшего Советского Союза используют сочетание 3000 В постоянного тока и 25 кВ переменного тока по историческим причинам. Специальные "стыковочные станции" (около 15 на территории бывшего СССР – Владимир, Мариинск близ Красноярска и т.д.) имеют контактную сеть с возможностью переключения с постоянного на переменный ток. На этих станциях необходима замена локомотивов, которая выполняется одновременно с переключением контактной сети. Большинство советских, чешских (СССР заказывал пассажирские электровозы у Škoda), российских и украинских локомотивов могут работать только на переменном или постоянном токе. Например, VL80 – электровоз переменного тока, а VL10 – версия постоянного тока. Существовались небольшие экспериментальные серии, такие как VL82, способные переключаться с переменного на постоянный ток и использовавшиеся в ограниченном количестве в районе города Харьков (Украина), где на многих линиях нет стыковочных станций. Также, новейший российский пассажирский электровоз EP20 и его предшественник EP10 являются двухсистемными. Изначально 3000 В постоянного тока были выбраны из-за простоты. Первый экспериментальный участок был проложен в горах Грузии, затем электрифицировали пригородные зоны крупнейших городов – для электропоездов это было очень выгодно благодаря значительно лучшей динамике по сравнению с паровозами, что важно для пригородного сообщения с частыми остановками. После этого была электрифицирована большая горная линия между Уфой и Челябинском. Долгое время электрифицированные железные дороги считались подходящими только для пригородного или горного сообщения. Около 1950 года было принято решение (по легенде, по инициативе Иосифа Сталина) электрифицировать высоконагруженную равнинную линию Омск – Новосибирск. После этого электрификация основных железнодорожных магистралей на 3000 В постоянного тока стала преобладающей. 25 кВ переменного тока начали использовать в СССР примерно в 1960 году, когда промышленности удалось создать электровоз с асинхронным двигателем постоянного тока, питаемым через выпрямитель (все советские и чешские электровозы переменного тока были именно такими; только постсоветские перешли на асинхронные двигатели с электронным управлением). Первой крупной линией с питанием переменным током стала Мариинск – Красноярск – Тайшет – Зима, за ней последовали линии в Европейской части России, например, Москва – Ростов-на-Дону. В 1990-х годах некоторые линии постоянного тока были реконструированы для работы на переменном токе, чтобы обеспечить возможность использования мощного электровоза VL85 мощностью 10 МВт. Одна из таких линий находится в районе Иркутска. Освободившиеся электровозы постоянного тока были переведены в Санкт-Петербургскую область. Транссибирская магистраль начала электрифицироваться с 1929 года, а полностью электрифицирована она была к 2002 году. Система состоит из 25 кВ переменного тока 50 Гц после стыковочной станции Мариинск близ Красноярска и 3000 В постоянного тока до нее. Вес поездов достигает 6000 тонн.

Канада

Исторически Канада использовала различные электрические локомотивы, главным образом для перевозки пассажиров и грузов через плохо вентилируемые туннели. Электрические локомотивы, которые использовались в Канаде, включают St. Clair Tunnel Co. Boxcab Electric, CN Boxcab Electric и GMD GF6C. Exo в Монреале эксплуатировал двухрежимные электродизельные локомотивы ALP 45DP, чтобы обеспечить возможность прохождения локомотивами через плохо вентилируемый туннель Маунт-Роял. Локомотивы работают в электрическом режиме на всем протяжении линии Deux Montagnes и на линии Mascouche между центральным вокзалом Монреаля и станцией Ahuntsic. На остальной части линии Mascouche и на трех других неэлектрифицированных линиях локомотивы работают в дизельном режиме. Однако, с преобразованием туннеля Маунт-Роял в основную линию системы скоростного трамвая Réseau express métropolitain и окончательным усечением линии Mascouche до станции Ahuntsic, начиная с января 2020 года, локомотивы эксплуатируются исключительно в дизельном режиме. Подобно ситуации в США, гибкость дизельных локомотивов и относительно невысокая стоимость их инфраструктуры привели к их преобладанию, за исключением случаев, когда юридические или эксплуатационные требования предписывают использование электричества. Это привело к ограниченной электрической железнодорожной инфраструктуре и, как следствие, к небольшому количеству электрических локомотивов, работающих в Канаде в настоящее время. По состоянию на 2021 год существует только один пример – электрические локомотивы GMD SW1200MG, эксплуатируемые компанией Iron Ore Company of Canada на небольшой изолированной железной дороге для перевозки сырой руды от их рудника Carol Lake до перерабатывающего завода. В будущем компания GO Transit из Торонто планирует эксплуатировать парк новых электрических локомотивов в рамках своей инициативы Regional Express Rail. Также изучается целесообразность использования локомотивов на водородных топливных элементах.

Соединенные Штаты

Электролокомотивы используются для пассажирских поездов на Северо-восточном коридоре Amtrak между Вашингтоном и Бостоном, с ответвлением в Харрисбург, штат Пенсильвания, а также на некоторых пригородных железнодорожных линиях. Системы городского транспорта и другие электрифицированные пригородные линии используют электропоезда, в которых каждый вагон имеет собственное питание. Все остальные пассажирские перевозки на дальние расстояния и, за редкими исключениями, все грузовые перевозки осуществляются дизель-электрическими локомотивами. В Северной Америке гибкость дизельных локомотивов и относительно невысокая стоимость их инфраструктуры обеспечили их преобладание, за исключением случаев, когда юридические или эксплуатационные ограничения требуют использования электричества. Примером такого случая является использование электролокомотивов компанией Amtrak и пригородными железными дорогами в Северо-восточном коридоре. Amtrak и New Jersey Transit в Нью-Йорке используют электрические локомотивы, в настоящее время ALP 46, из-за запрета на эксплуатацию дизельных локомотивов на станции Пенн и в туннелях под реками Гудзон и Ист-Ривер, ведущих к ней. Некоторые другие поезда, прибывающие на станцию Пенн, используют двухрежимные локомотивы, которые также могут работать от третьего рельса в туннелях и на станции. Во времена паровой тяги некоторые горные районы были электрифицированы, но эти участки впоследствии были демонтированы. Граница между электрифицированным и неэлектрифицированным участками – это место смены локомотивов; поэтому поезда Северо-восточного коридора, следующие южнее Вашингтона, округ Колумбия, меняют локомотивы там. Ранее поезда Северо-восточного коридора делали длительные остановки в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, для смены локомотивов, что стало одним из факторов, повлиявших на решение об электрификации участка Северо-восточного коридора от Нью-Хейвена до Бостона в 2000 году.

Китай

В Китае эксплуатируется свыше [укажите количество] километров электрифицированных железных дорог. Большинство грузовых и пассажирских поездов дальнего следования работают на высокомощных электрических локомотивах, мощность которых обычно превышает [укажите значение] кВт. Тяжелые грузовые составы тянут чрезвычайно мощные многосекционные локомотивы, достигающие мощности до [укажите значение] кВт на локомотивах серии "Шэнь 24", состоящих из шести секций.

Индия

Все основные электрифицированные железнодорожные линии в Индии используют электричество переменного тока 25 кВ, частотой 50 Гц, посредством воздушной контактной сети. По состоянию на март 2017 года электрическими локомотивами осуществлялось 85% грузовых и пассажирских перевозок, а общая протяженность электрифицированных железнодорожных путей составляла 45 881 км.

Япония

Япония приблизилась к полной электрификации в основном из-за относительно коротких расстояний и гористой местности, что делает электрификацию особенно экономически выгодной инвестицией. Кроме того, соотношение грузовых и пассажирских перевозок значительно смещено в сторону пассажирских (даже в сельской местности), чем во многих других странах, и это способствовало государственным инвестициям в электрификацию многих удаленных линий. Однако, эти же факторы приводят к тому, что операторы японских железных дорог предпочитают электропоезда (EMU) электрическим локомотивам. Подавляющее большинство электрических пассажирских перевозок в Японии осуществляется на электропоездах, в то время как электрические локомотивы используются преимущественно для грузовых и некоторых дальних маршрутов.

Австралия

Викторианские железные дороги и правительственные железные дороги Нового Южного Уэльса, которые стали пионерами электрической тяги в Австралии в начале 20-го века и продолжают эксплуатировать электропоезда постоянного тока 1500 В, вывели из эксплуатации свои электрические локомотивы. В обоих штатах использование электрических локомотивов на основных междугородных маршрутах оказалось лишь частичным успехом. В Виктории, поскольку электрифицирована была только линия Гиппсленд, экономические преимущества электрической тяги не были реализованы в полной мере из-за необходимости смены локомотивов для поездов, следующих за пределами электрифицированной сети. Локомотивы класса L Викторианских железных дорог были сняты с эксплуатации к 1987 году, а электрификация линии Гиппсленд была демонтирована к 2004 году. Локомотивы класса 86 Нового Южного Уэльса, поступившие в эксплуатацию в 1983 году, прослужили относительно недолго, поскольку стоимость обслуживания инфраструктуры, необходимость смены локомотивов на концах электрифицированной сети и более высокие тарифы на электроэнергию привели к тому, что дизельные локомотивы заменили их на электрифицированных участках. Queensland Rail внедрила электрификацию в 1980-х годах и использует более современную технологию переменного тока 25 кВ, охватывающую около 1000 км узкоколейной сети. Компания эксплуатирует парк электрических локомотивов для транспортировки экспортного угля, самые современные из которых – локомотивы класса 3300/3400 мощностью 3000 кВт (4020 л.с.).